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Misure di Compatibilità Elettromagnetica (EMC)
#1
In questa discussione proverò a introdurre alcuni aspetti delle misure di Compatibilità elettromagnetica cercando di essere il più chiara possibile; nonostante i mie sforzi, faccio le solite raccomandazioni: criticate pure Smile

Il problema delle emissioni EMC può essere diviso sostanzialmente in due tipi; il primo tipo riguarda la capacità di un determinato apparato di irradiare campi elettromagnetici (di seguito c.e.m.)  il secondo riguarda la capacità di convogliare  c.e.m. attraverso le linee di alimentazione o linee di collegamento ad altre apparecchiature. In questo caso parleremo dunque di Emissioni irradiate e condotte.

In parallelo al problema delle emissioni vi è anche quello della suscettibilità, cioè il medesimo apparato elettronico/elettrico oltre ad essere sorgente di disturbi, può essere vittima di sorgenti come reti elettriche, trasmissioni radio e tv, motori elettrici, fulmini etc. quindi si parlerà di suscettibilità irradiata e condotta. (Vedi schema Allegato 1)

Interazioni elettromagnetiche:

Cerchiamo adesso di capire quali sono le interazioni elettromagnetiche, queste possono essere suddivise sostanzialmente in:

interazioni intrasistema
interazioni intersistema

Le interazioni intrasistema si verificano tra apparati dello stesso tipo; questo tipo di interazioni devono essere esaminate sopratutto in fase di progetto, risolvendo le problematiche relative alla irradiazione o alla suscettività attraverso opportuni layout dei dispositivi o rimedi opportuni.
Per le interazioni di tipo intersistema, cioè di apparati che convivono nello stesso ambiente ma non fanno parte dello stesso dispositivo, gli interventi devono seguire le norme di genere e sono a livello progettuale di tipo sistemistico, in altre parole nel momento in cui si progettano dei dispositivi che convivono nello stesso ambiente elettromagnetico ci si preoccupa delle interferenze che l’uno crea nei confronti dell’altro. Sia nel caso di misure di suscettibilità sia nel caso di emissioni, i disturbi possono essere di tipo convogliato (o condotto) e di tipo irradiato per frequenze al di sotto di 30 MHz, al di sopra di queste frequenze le correnti di disturbo o le tensioni presenti nei cavi di collegamento generano disturbi di tipo irradiato. Le misure per la verifica della compatibilità elettromagnetica tra sistemi, riguardano in particolare le misure di emissione irradiate e convogliate  e  le misure di suscettibilità irradiata e convogliata; tali misure sono volte a capire la capacità di un determinato dispositivo di sopportare o meno disturbi derivanti da c.e.m. Affinché sia possibile quantificare in modo opportuno la capacità di un determinato dispositivo di sopportare o meno disturbi, esistono metodi di misura e strumenti adeguati per indagare e ottenere risultati qualitativamente accettabili.
Per quanto concerne i metodi di misura la scelta dipende da alcuni fattori come ad esempio le dimensioni dell’apparato da esaminare, l’intervallo di frequenza, i limiti della misura normati, il tipo di campo da misurare (elettrico o magnetico), la polarizzazione del campo, le caratteristiche elettriche del segnale di prova.

Bisogna comprendere che non esiste un unico ambiente di prova adatto a tutte le misurazioni, in particolare gli ambienti in cui verranno effettuate le misure devono essere caratterizzate da due aspetti fondamentali, ovvero devono essere in grado di limitare le interferenze elettromagnetiche dovute a sorgenti esterne in modo da poter fare riferimento alle interferenze elettromagnetiche da noi prodotti e poi dovranno essere caratterizzate da limitate riflessioni da parte di oggetti diversi dal dispositivo sotto test e presenti nell ’ambiente di misura.


Misure di emissione

Il campo delle misure di emissione è consolidato dal punto di vista normativo, il CISPR è l’ente che si occupa dello sviluppo di norme per individuare, misurare e comparare interferenze elettromagnetiche nei dispositivi elettrici. Per le misure di emissione a bassa frequenza ci si riferisce alla norma CISPR16 che rappresenta il punto di vista metrologico per le misure di emissione a bassa frequenza. Questa norma prevede nove differenti sezioni che riporto brevemente di seguito.

La prima è relativa agli strumenti di misura, in particolare detta le caratteristiche principali dello strumento principe per le misure di emissioni, il rilevatore di quasi picco CISPR.
La seconda sezione si occupa delle misure condotte a radio frequenza.
La terza delle misure radiate a radio frequenza; la quarta dei metodi di misura per varie tipologie di prodotti sorgenti di disturbo a radiofrequenza. La sezione 5° si occupa di strumenti di misura diversi dal ricevitori di quasi picco; la sesta di misure di radio disturbi a frequenze audio; la settima si occupa di misure di disturbi dovuti a fenomeni; l’ottava affronta il problema delle misure dell’efficacia di schermature dei cavi a singoli o doppio schermo nel campo delle onde metriche, l’ultima sezione, la nona si occupa di effettuare considerazioni statistiche nella determinazione dei limiti di radiodisturbo.
 La CISPR 16 propone un procedimento generale di misura che deve essere seguito tutte le volte che si vuole verificare  se una apparecchiatura genera emissioni che sono contenute entro i limiti delle norme. La procedura è ottimizzata e cerca di ridurre le operazioni da effettuare al numero minimo possibile. Di seguito si propone un flow chart che mostra la procedura di misura.(Allegato flow chart)
Dal grafico sopra riportato si nota che la prima operazione da effettuare è la misura di quasi picco in banda larga dopo questa misura si effettua un confronto tra il valore di quasi picco misurato e il valore limite medio, se si verifica che il QP è minore di AVGL il dispositivo può essere approvato, se ciò non si verifica il QP è confrontato con il valore limite di quasi picco QPL se risulta QP>QPL il dispositivo viene rigettato, altrimenti si esegue una misura di QP in banda stretta e questa nuova misura è confrontata con AVGL, se QP è minore di AVGL allora il dispositivo è approvato, in caso contrario eseguo la misura di valore medio AVG e infine confronto il valore misurato con quello limite (AVGL) se AVG<AVGL il dispositivo viene approvato altrimenti è rigettato. La misura di QP in banda larga viene eseguita nella maggior parte dei casi, la misura di QP in banda stretta viene eseguita solo nei casi necessari e la misura di valor medio è effettuata in numero ancora inferiore rispetto a QP in banda stretta, cioè nei casi in cui la procedura arriva in quello stadio, quindi se necessario viene effettuata la misura di AVG e di conseguenza confrontato con AVGL. Lo strumento utilizzato quasi sempre è il rilevatore di quasi-picco di cui è riportato in allegato lo schema semplificato. (Allegato schema quasi-picco)
Il filtro F.I. di ingresso  permette di effettuare la misura in banda larga in diversi campi di frequenza a seconda del segnale da misurare, in cascata al filtro è presente un circuito di carica per il condensatore C e  in parallelo ad esso il circuito di scarica costituito dalla resistenza Rd, i circuiti di carica (Rc e D) e di scarica (Rd) sono caratterizzati da due costanti di tempo rispettivamente τc e τd; a chiudere il circuito vi è un rilevatore con costante di tempo τm . Di fatto il rilevatore di quasi picco è sostanzialmente un demodulatore di ampiezza avente come carico di uscita uno strumento di rilevazione elettronico. Il principio di funzionamento su cui si basa lo strumento è quello di cercare di pesare le frequenze più elevata in maniera maggiore, questo comportamento si può riscontrare nell’ orecchio umano, infatti l’orecchio umano è maggiormente disturbato da disturbi ad alta frequenza ed è meno disturbato da segnali a frequenza bassa. L’operazione di media sulla frequenza degli impulsi è eseguita dal rilevatore di quasi picco. Il circuito in figura ci permette di dare diverso peso a frequenze diverse. Immaginiamo di avere all’ ingresso del rilevatore un segnale che supponiamo per semplicità essere sinusoidale, evidenziamo dunque l’andamento della tensione ai capi del condensatore C, che di fatto rappresenta la tensione che viene misurata dal rilevatore elettronico. Inizialmente il condensatore è scarico, e per effetto della tensione di ingresso si caricherà fin quando la tensione ai suoi capi non raggiunge un livello pari alla tensione in ingresso; all istante successivo il diodo risulterà inversamente polarizzato e quindi non avrò una successiva carica del condensatore. Poiché devo avere un rilevatore di picco, ho la necessità di non far variare la tensione per tutto il semiperiodo negativo del segnale di ingresso, per poi far nuovamente caricare il condensatore nella fase successiva, in modo da ottenere un valore di tensione ai capi del condensatore, almeno idealmente, tendente al valore di picco del segnale di ingresso. E’ possibile notare che  anziché limitare la scarica del condensatore nelle fasi in cui il diodo è interdetto, utilizziamo la scarica per pesare diversamente gli impulsi a frequenza più elevata; infatti se facciamo scaricare il condensatore la variazione di tensione sarà tanto maggiore quanto più è elevato il periodo del segnale (a parità di altri parametri) si veda allegato Grafico1_2.
Cioè per segnali a frequenza più bassa, la scarica del condensatore durerà per un tempo maggiore, quindi complessivamente, il misuratore elettronico che misura il valor medio di questa sorta di onda triangolare ottenuta dalla carica e dalla scarica del condensatore, misurerà a parità di altri parametri, un valore tanto più elevato, quanto più è elevata la frequenza dell’impulso di ingresso, quindi l’operazione di pesare gli impulsi a frequenza più elevata si ottiene lavorando sulle costanti di tempo di carica e di scarica del dispositivo, rispettivamente τc e τd.

La norma CISPR 16 fornisce le caratteristiche operative del rilevatore di quasi picco che sono di seguito riportate.


1. Larghezza di banda B6=12.7KHz; (banda corrispondente a -6dB dell'ampiezza)
2. Costante elettrica di carica τc, indicata come il tempo in cui il dispositivo raggiunge il 67% del valore finale;
3. La costante elettrica di scarica τd, definita come il tempo che il rilevatore impiega a portarsi, in assenza di ingresso, dal valore massimo al 37% del valore massimo;
4. Costante di tempo meccanica dello strumento indicato con τm;
5. Fattore di sovraccarico dei circuiti a monte del rilevatore di quasi-picco, definito come il rapporto espresso in dB tra la tensione sinusoidale che non manda in saturazione i circuiti del filtro e il valore di tensione massimo misurabile dal rilevatore (±1dB);
6. Fattore di sovraccarico dei circuiti a valle del rilevatore di quasi-picco, anche questo è un rapporto espresso in dB, tra quel valore di tensione che non manda in saturazione l’amplificatore d’uscita del rilevatore rispetto al livello di tensione massimo del dispositivo, anche questa saturazione è almeno di ±1dB.

Oltre al rilevatore di quasi-picco, nelle misure viene utilizzato il misuratore di valor medio che è costituito dai seguenti blocchi:


• Il segnale di disturbo viene ridotto in banda base dagli stadi a monte del filtro
• Un filtro passa-basso a banda stretta estrae il duty cicle del segnale a misurare
• Il segnale infine viene amplificato e misurato.

Le caratteristiche di funzionamento di questo dispositivo sono riportate nella norma CISPR16 sezione 5.

Quando si ha a che fare con un EUT (equipment under test) di piccole dimensioni, i disturbi irradiati da questo dispositivo risultano essere di entità abbastanza limitata, viceversa il cavo di alimentazione del dispositivo sotto test risulta essere sede di circolazioni di corrente di modo comune e di modo differenziale che danno origine a disturbi che vanno misurati, in particolare i disturbi di maggiore entità sono quelli di modo comune, per far ciò le norme suggeriscono l’uso della pinza assorbente. Uno schema di principio è riportato in Allegato pinza assorbente.

Nella figura in allegato è schematizzato un dispositivo di piccole dimensioni (≈ 50 cm) il dispositivo di fatto realizza un accoppiamento trasformatorico tra le correnti che circolano nel cavo di alimentazione e la sonda di corrente (materiale conduttore) la sonda invia il segnale al rilevatore CISPR; ciò ci consente delle misure di emissione irradiate nel campo di frequenze che va dai 30MHz ai 300 MHz. Per effettuare la misura, la pinza assorbente viene spostata lungo il cavo di alimentazione dell’EUT fino ad individuare la posizione corrispondente alla indicazione massima del misuratore CISPR, in queste condizioni posso immaginare che l’intera potenza irradiata dal cavo di alimentazione sia assorbita dalla sonda  e ciò è abbastanza lecito visto le dimensioni piccole della sonda stessa. La taratura di questo dispositivo è molto importante e consiste nella determinazione del fattore di attenuazione noto come insertion loss (wikipedia: ISERTION LOSS), che rappresenta la bontà con cui un disturbo emesso dal cavo di alimentazione si accoppia con la pinza a sonda. Nella sonda sono presenti blocchi di ferrite che servono sia ad adattare le diverse impedenze, sia ad evitare fenomeni di risonanza. 

Analizzatore di spettro per misure di quasi picco


Lo strumento principe utilizzato per le misure di emissione è l’analizzatore di spettro, essendo uno strumento molto più versatile rispetto a quelli suggeriti dalle norme prima discussi. 
Vediamo come utilizzare l’analizzatore di spettro per prove che valgono dal punto di vista normativo. 
Il problema è legato al fatto che l’analizzatore di spettro non misura il quasi-picco, ma misura il picco del segnale di disturbo, sono poi disponibili tabelle parametriche nella frequenza di ripetizione degli impulsi, il passaggio risulta semplice tutte le volte che il disturbo ha frequenza costante, cioè misuro il disturbo visualizzandolo nel dominio del tempo, misuro il periodo e quindi la frequenza di ripetizione del disturbo e in seguito utilizzo le tabelle di correzione e passo dal valore di picco al valore di quasi-picco. Nel caso in cui il disturbo non è caratterizzato da una frequenza costante, devo valutare una frequenza media, le norme suggeriscono di fare riferimento alla seguente relazione:

Per la misura della frequenza di ripetizione degli impulsi, se questi ultimi hanno frequenza irregolare, occorre riferirsi a: 

f_r=B (v_ave/v_picco)  
 
dove f_r= frequenza media di ripetizione degli impulsi; B= banda passante a 6dB dell’analizzatore; v_ave= livello di tensione medio ottenuto rallentando opportunamente la scansione orizzontale dell’analizzatore; v_picco= livello di tensione di picco.

In commercio esistono analizzatori di spettro capaci di effettuare il passaggio da picco a quasi-picco in maniera automatica, quindi di fatto simulano il ricevitore di quasi-picco CISPR. In questo caso se voglio utilizzare l’analizzatore di spettro per prove di accettazione devo utilizzare la funzione dedicata di simulazione di ricevitore di quasi-picco CISPR. In questo caso le misure ottenute con l’analizzatore di spettro sono equiparabili a quelle del ricevitore di quasi-picco CISPR.
In sintesi l’uso dell’analizzatore di spettro è ammesso se è fornito di funzioni di simulazione del ricevitore di quasi-picco CISPR; i risultati delle prove devono essere obbligatoriamente determinati con l’uso della funzione suddetta.

Misure a bassa frequenza emissioni condotte

La normativa che regola le misure a bassa frequenza non sono più le CISPR ma i diversi comitati dell’IEC che si occupano dei diversi tipi di dispositivi e sanciscono delle norme specifiche di prodotto su cui basarsi per questo tipo di misura. Uno schema generale per il caso monofase è riportato in allegato schema monofase/trifase.
lo schema circuitale per effettuare le misure di emissione condotte a bassa frequenza; S rappresenta la sorgente di alimentazione del dispositivo che è costituita da un generatore ideale G e un’impedenza equivalente Zs, A è l’apparecchiatura (EUT) che genera il disturbo. In questo caso siamo interessati a misurare le armoniche della corrente In che l’apparecchiatura immette in rete, per effettuare la misura basta inserire uno shunt RM e andare a visualizzare con un analizzatore di spettro  la forma d’onda della caduta di tensione ai capi di  RM e quindi la corrente. Nel caso di armoniche emesse da un apparecchiatura trifase occorre avere 4 shunt e utilizzando l’analizzatore di spettro si misurano le armoniche di corrente presenti nelle diverse linee e sul neutro.
Ciò di cui fin qui abbiamo parlato riguarda le emissioni condotte a bassa frequenza; al crescere della frequenza è importate preoccuparsi di quale sia l’impedenza vista dal dispositivo e dalla sua alimentazione. In particolare per misure di emissione condotte a frequenza superiore a 9KHz, l’impedenza vista ai morsetti di un qualunque dispositivo verso la rete dia alimentazione varia in funzione sia del dispositivo che dal punto in cui è connesso alla rete. Per poter effettuare misure che siano in qualche modo ripetibili è importante è importante operare in condizioni standard di riferimento, in queste condizioni uso delle reti artificiali di alimentazione (AN: artificial network) o una rete di stabilizzazione dell’impedenza di linea LISN (LISN= line impedence simulation network). Queste reti permettono di risolvere il problema dell’impedenza vista. Gli scopi principali di una rete artificiale di alimentazione soono:
• Blocco dei disturbi che dalla rete possono raggiungere il circuito di misurazione dei disturbi;
• Normalizzazione dell’impedenza di rete nel campo di frequenza sotto indagine, in maniera da avere un riferimento affidabile.
Esistono in letteratura normativa diverse reti che variano al variare del range di frequenze in esame, a seconda che si vogliono misurare disturbi emessi tra linea e linea o tra fase e neutro nel caso d sistema monofase.

Misure delle emissioni irradiate tra i 9KHz e i 30MHz


In questo range di frequenze i disturbi sono caratterizzati da lunghezze d’onda dell’ordine di una decina di metri, questo significa che le misure devono essere fatte a distanze fissate dalle norme a secondo del tipo di dispositivo, a 3m, 10m e 30m il CISPR chiama questa zona campo induttivo. La struttura del campo induttivo (o reattivo) è complicata dalla presenza della componente radiale del campo magnetico, questo fa si che per effettuare misure corrette si utilizzano come sensori di campo antenne a spira, inoltre la presenza di un campo di questo tipo crea un problema relativo alla distribuzione delle correnti che varia nello spazio, per questo motivo l’analisi in queste condizioni è caratterizzato dal movimento dell’ EUT o dell’antenna ricevente al fine di mettersi nelle condizioni più gravose, poiché a seconda dell’orientamento reciproco del dispositivo che emette disturbi e dell’antenna il valore del disturbo misurato può variare anche in maniera considerevole. Il CISPR fa riferimento ad un campo di prova aperto (Open Aria Test Side OATS) questo campo di prova è quello ideale dove bisognerebbe fare le misure ed è caratterizzato dal non avere alcuna sorgente di disturbo o interferenza o riflessione del campo. Di seguito vengono elencati i passi relativi alla procedura di misura.

Procedura di prova CISPR:

1. Antenna a spira collocata verticalmente rispetto al piano conduttore di terra
2. EUT ruotato fino al raggiungimento del massimo rilevato dall’antenna
3. Antenna ruotata fino alle condizioni di massima sensibilità della stessa
4. Antenna spostata verticalmente fino al raggiungimento di una nuova condizione di massimo

Spesso questa procedura non è attuabile e ciò è dovuto alla disponibilità degli spazi di prova realmente aperti, in particolare gli spazi di prova aperti vengono definiti dalle norme americane FCC come una zona aperta, piatta, di terreno sgombro da ostacoli e livellato.

Big Grin


Allegati
.pdf   allegato1.pdf (Dimensione: 140.18 KB / Download: 17)
.pdf   w chart della procedura di misura secondo la CISPR 16.pdf (Dimensione: 80.62 KB / Download: 20)
.pdf   Schema quasi-picco.pdf (Dimensione: 163.74 KB / Download: 18)
.pdf   Grafico1_2.pdf (Dimensione: 128.49 KB / Download: 16)
.pdf   Pinza assorbente.pdf (Dimensione: 180.01 KB / Download: 16)
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#2
Bell'articolo, molto completo!
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#3
Ti ringrazio syndrome Smile
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